天然氣的非管輸儲運技術

目前，   氣的非管輸儲運技術主要包括壓縮   氣(CNG)儲氣、液化   氣(LNG)儲氣、地下儲氣庫(UNGS)儲氣、水合物(NGH)儲氣、吸附   氣(ANG)儲氣和近臨界流體(NCF)儲氣。
　　1、壓縮   氣(CNG)
　　CNG為常溫高壓儲存(20MPa)，是一種理想的車用替代能源，具有成本低、效益高、   、使用   便捷等優(yōu)點。CNG的生產輸送過程是將低壓   氣增壓至20~25MPa，再通過高壓氣瓶組車通過公路運輸，在使用地的減壓站(輸配站)將高壓   氣經(jīng)1~2級減壓至1.6MPa，   后進入儲罐或進一步減壓進入城市管網(wǎng)。該方案技術難度低，成熟度高，   性可基本。在25MPa的情況下，   氣可壓縮至原來體積的1/300，降低了儲存容積，但壓力的增大，也對CNG技術中的關鍵設備—儲氣瓶的質量提出了   高的要求。
　　CNG的生產設備主要有調壓器、換熱器、球罐等，生產設備費用投資較小。CNG是目前車用   氣燃料的主要儲存方式，缺點是儲氣瓶質量大，體積大。與液體燃料相比，   氣體積能量密度低，20MPa壓力下的CNG燃料僅相當于汽油能量密度的30%，在生產輸送過程中也存在很高的危險性，還需在運行效率的優(yōu)化和管道事故的應急處理等方面開展工作。
　　2、液化   氣(LNG)儲氣技術
　　LNG的生產輸送過程是將氣態(tài)   氣經(jīng)過“三脫”(脫水、脫烴、脫酸性氣體等)處理后，再經(jīng)液化處理成為液態(tài)(-162℃)，一般采用丙烷預冷的混合制冷液化技術。由于凈化、液化工藝復雜，設備投資較大，運行費用較高。LNG液化站一般應建在氣井處，好處是氣源充足，氣價低，LNG產量大，便于回收投資。LNG采用低溫儲罐車通過公路來運輸，到達目的地后，LNG經(jīng)罐車自增壓系統(tǒng)增壓，進入LNG儲罐。儲罐中的LNG再自增壓系統(tǒng)壓入氣化器中氣化，經(jīng)調壓計量送入城市管網(wǎng)。由于涉及相變過程，為防止出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，還設置了BOG系統(tǒng)、放散系統(tǒng)、氮氣吹掃系統(tǒng)等。輸運技術目前在理論上已日趨成熟，并且在淮陽、深圳等地開始應用。在，LNG被廣泛用于   氣的海上運輸，但是，LNG的長距離陸地輸送尚存在較大的   性問題。LNG在儲存、運輸與使用等方面都有顯著的優(yōu)勢。但是，目前LNG僅占   氣消費量的6%。要提高LNG在   氣消費中的比重，就   解決LNG發(fā)展中存在的難題，即由于組分差異和溫度差異造成的LNG分層而產生的渦旋，渦旋會引起LNG內部能量勢的改變，從而導致LNG儲存失穩(wěn)，產生重大   隱患。因此，在生產和儲運過程中有很高的危險性。
　　從20世紀60~70年代開始，學者就對LNG渦旋展開了，從不同的假設條件出發(fā)建立了渦旋的數(shù)學模型。特別是Bates等人提出的BatesandMorrison模型，克服了原有模型假設分層面靜止的弊端，考慮了分層面的下降運動，采用較簡單的數(shù)學方法對LNG渦旋進行了。我國對LNG儲存非穩(wěn)定性始于20世紀80年代，經(jīng)過試驗模擬和數(shù)值模擬，在LNG儲存的熱流體力學、非平衡熱力學等方面取得了   的進展。我國在LNG方面已取得了長足的進步，特別是以顧安忠教授為代表的上海交通大學的人員，在低溫流體力學、制冷理論與技術、   氣液化設備與工藝等方面取得了豐碩的成果。在今后一段時期，運用熱力學、傳熱學和流體力學來   氣儲存的穩(wěn)定性仍將是LNG應用基礎的重要內容。除此以外，   氣和制冷劑的熱物性及遷移特性，   氣液化流程和設備模擬，   氣液化流程的系統(tǒng)模擬和優(yōu)化，小型   氣液化裝置的與優(yōu)化，LNG冷量利用技術以及提高LNG設備效率技術都將成為LNG的熱點。
　　3、地下儲氣庫技術(UNGS)
　　地下儲氣庫的   氣儲存有枯竭的油氣田儲氣、含水多孔地層儲氣、鹽礦層儲氣和利用廢礦儲氣等。地下儲氣庫技術始于20世紀初，1915年加拿大在安大略省WELLLAND氣田進行的氣田儲氣試驗揭開了   氣儲存的序幕。到2002年，全世界約有560座地下儲氣庫，儲氣庫的總容積約為5100*108m³，可以進行調峰的氣量約為2500*108m³。
　　近年來，由于能源需求形式日趨嚴峻，關于地下儲氣庫的應用基礎和工藝技術也越來越活躍，關于地下儲氣庫的正朝著數(shù)值化、自動化的方向發(fā)展，覆蓋了地質、鉆井、、儲運、化工、環(huán)保、測控儀表等諸多學科，已經(jīng)取得了顯著的成就。
　　由于   氣需求量的時變性，以及地下儲氣庫建設的復雜性，因此，可以預見，在今后一段時期內，以下幾個方面將成為地下儲氣庫的。
　　(1)地下儲氣庫地層傷害潛在因素評價與分析。儲層保護技術在油氣田中已經(jīng)廣泛的應用，但是，專門針對地下儲氣庫地層的傷害與保護還相當缺乏。根據(jù)地下儲氣庫工作壓力高、注采頻繁、多相流動的特點，應對地層應力敏感性、相圈閉損害分析和地層微粒運移規(guī)律進行，為地下儲氣庫的地層保護提供理論依據(jù)。
　　(2)水平井建井技術的推廣。定向井技術已廣泛應用于油氣勘探的鉆井中，特別是水平井，不僅能解決地質構造條件下的建井問題，而且能顯著提高流體滲流面積，增加儲氣庫的儲存效率。
　　(3)地層多相滲流與巖石力學的。對   氣地下儲存時的地層多相滲流進行了專門，然而國內在這方面只進行了少量的。   氣在儲存過程中的多相滲流行為與開采過程中滲流行為之間存在的差異，對   氣儲存能力有著直接的影響。地層巖石的應力分布和力學穩(wěn)定性對儲氣庫的儲存能力也有顯著影響。有   對地下多相滲流與巖石力學行為做深入，為準確確定   氣儲存能力提供依據(jù)。
　　(4)監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化配置。地下儲氣庫的檢測包括地下腔室形態(tài)檢測、密閉行檢測、運行壓力檢測以及環(huán)保和   檢測。這些檢測技術應該能夠實時準確地實現(xiàn)信息傳輸與應急處理。網(wǎng)絡化、數(shù)字化和自動化是地下儲氣庫檢測系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。
　　4、吸附   氣(ANG)
　　ANG是在儲罐中裝入高比表面的   氣吸附劑，利用其巨大的內表面積和豐富的微孔結構，在常溫、中壓(6.0MPa)下將   氣吸附儲存的技術。當儲罐中壓力低于外界時，氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面，借以儲存；當外界的壓力低于儲罐中壓力時，氣體從吸附劑固體表面脫附而出供應外界。與CNG相比，ANG投資和操作費用可降低50%，具有儲罐形狀和材質選擇余地大、質輕、低壓，使用方便和   等優(yōu)點，其技術關鍵是甲烷吸附量高的   氣吸附劑。
　　目前ANG儲氣技術的主要是針對   氣汽車(NGV)，目標是爭取取代CNG技術，淘汰笨重的高壓氣瓶，并LNG車用燃料技術，實現(xiàn)商業(yè)化應用，使該技術能夠成為   氣汽車的主要燃料儲存方法，以擴大   氣汽車的使用數(shù)量。ANG技術具有以下特點。
　　(1)壓力較低(3.5~6.0MPa)，對儲氣和充氣設備耐壓性能要求不高，所需設備均可實現(xiàn)國產化，投資費用低，充氣設備僅需中壓壓縮機即可，節(jié)約了充氣站的建站費用和操作費用。
　　(2)中低壓下使用   氣，其   性能   好。
　　(3)中低壓條件下儲存   氣具有日常維護方便、操作費用低等優(yōu)點。
　　在   意義上，ANG也屬于壓力儲存，但由于儲存壓力比CNG低，因此容器質量相應減輕，   性相對提高。就目前與的進展情況來看，該項技術還存在著3個需要解決的問題。
　　(1)在相同儲存容積下的儲氣密度，ANG吸附容器比CNG儲氣瓶或LNG儲存容器低得多，即CNG儲氣瓶儲氣密度為其容器的230倍左右，LNG儲存容器儲氣密度為其容器的600倍以上，而ANG吸附容器儲氣密度則為其容器的140倍。
　　(2)   氣吸附與釋放過程中的熱效應影響問題尚未妥善解決。
　　(3)   氣中的重組分在釋放過程中的滯留問題仍待解決。
　　總之，后兩個問題是屬于工藝過程和儲存容器結構改進的范疇，相對而言比較容易解決，關鍵問題是吸附劑。目前，的部門都將吸附劑的集中在活性碳類材料吸附性能的提高方面，但至今仍未取得明顯效果。可以預見，吸附劑的吸附量如果能達到其容器的300倍左右，則其發(fā)展前景將會是一片光明。只要有了好的吸附劑，這項技術的應用范圍就不再局限于汽車，而是可能發(fā)展成為一種新的   氣儲運方法，將吸附儲存容器制成鐵路罐車、汽車罐車及運輸船的隔艙等移動運送工具，或是各種容器的   氣儲存容器，從而使這項技術的應用范圍大地拓寬。
　　5、   氣水合物(NGH)
　　   氣水合物(NGH)是由水分子形成的孔穴吸附小分子烴類氣體而形成的一種籠形結晶化合物。NGH具有   的結晶籠狀結構，在標準狀況下，1m³的氣體水合物可儲存   氣150~200m³。以水合物形式存在的   氣資源量是地球上其余所有烴類資源量總和的兩倍。用水合物儲存   氣，對   氣的預處理要求低，并且   、費用低，還能夠為NGH的勘探提供理論基礎。
　　NGH儲運技術是近幾年發(fā)展的一項，它不僅具有儲存空間小的優(yōu)點，而且它較氣態(tài)、液態(tài)   氣      ，由于水合物不易燃燒，因此分解過程緩慢。水合物能夠在標準溫度-10~0℃和壓力0.1~1MPa的條件下保存，1m³的水合物相當于21MPa高壓下的1m³壓縮   氣(包含200m³的   氣)或-162℃下1m³LNG(包含637m³的   氣)。與管道   氣運輸或者LNG運輸相比，水合物需要較低的資本和運行耗費。較低的成本、簡單和靈活的處理過程使得水合物運輸   氣值得推廣發(fā)展。
　　目前，水合物儲運   氣技術需要解決的關鍵技術問題是水合物的大規(guī)模生成、固化成型、集裝和運輸過程中的   問題。從當前現(xiàn)狀看，NGH的生產和儲運工藝還未成熟，尚處于發(fā)展階段。由于我國西部和海洋的   氣儲量非常豐富，開展對NGH儲存工藝的基礎及應用，對我國宏觀能源戰(zhàn)略決策有著重要而迫切的現(xiàn)實意義。NGH一般基于兩方面考慮。一是開采海上氣田或遠洋   氣，   氣在出口國或氣田加工成水合物，再通過輪船運往需要的地方氣化后使用；二是內陸儲運主要是在沒有   鋪設管道的情況下使用，因為NGH具有很大的靈活性。
　　目前，對NGH的主要是從水合物的制備、儲存、再分解三個技術點展開。其中，   的水合物生產制備工藝尤為關鍵，通常將含氣率作為評價反應進行程度的指標。針對水合物的制備，目前的主要技術路線是，在溶液(一般為冰水混合物)中制備；直接由冰轉化為水合物；用含水   氣采用節(jié)流膨脹工藝形成水合物。總之，NGH技術的儲存與再分解技術已經(jīng)過大量的，并不存在較大的難度，并且NGH的運輸也比較經(jīng)濟。目前，制約NGH技術的瓶頸問題是，如何在工業(yè)化生產中提出經(jīng)濟合理的工藝流程，從而實現(xiàn)水合物儲存   氣具有、高儲能的特性。
　　可以預見，關于NGH的熱力學性質、形成與分解動力學的將進一步深入。在制備工藝技術方面，將以制備出   生產NGH為目標，從熱力學和動力學角度分析出發(fā)，加強反應速率、提高產品含氣率、減少產品附加水量等方面的攻關，為實現(xiàn)NGH生產工業(yè)化奠定技術基礎。
　　6、近臨界流體儲存技術
　　利用近臨界流體儲存   氣，是近年來興起的一項新的   氣儲存技術。該技術的基本原理是，利用近臨界流體特有的高溶解力、低粘度、易擴散的性質，實現(xiàn)對   氣和臨界流體之間的傳質，進而將   氣溶解其中。
　　目前，對   氣的臨界流體儲存主要集中在兩個方面，一是尋找高吸附能力的溶劑；二是探索降低吸附壓力和溫度條件限制的途徑。俄克拉荷馬大學   氣利用技術所的一種“   氣體”燃料，采用近臨界流體儲存技術，將   氣與丙烷和丁烷混合，在室溫條件下形成壓力為13.79MPa(表壓)的液體燃料，該燃料具有等量汽油70%的能量。由北京理工大學王利生等人提出的以凝析油戊烷為溶劑儲存   氣技術，其儲存條件為室溫，壓力約為15MPa，50L容器中所釋放的可燃性氣體量約為21kg。
　　雖然近臨界流體儲存   氣原理簡單，操作方便，但是仍然未能實現(xiàn)工業(yè)化，在技術方面，關鍵問題在于如何找到和優(yōu)化儲氣壓力、溫度，選擇何種溶劑以及溶劑的用量。其中，對臨界參數(shù)的測量是否準確尤其重要，要使這項技術推廣，   對近臨界流體的特征和相變參數(shù)進行準確的描述。